e-mail :[email protected]
Abstrak
Rangka (frame) merupakan salah satu komponen terpenting dalam menentukan parameter performance dari disain kendaraan mobil listrik. Dimana selain kuat menopang beban dari kendaraan, juga harus ringan agar efisiensi terhadap pemakaian listrik lebih rendah.
Alumunium adalah satu alternatif yang akan di jadikan bahan rangka dari kendaraan tersebut karena ringan. Dalam penelitian ini, pipa alumunium 6063 akan di jadikan sebagai bahan untuk rangka, dimana pipa yang di gunakan berdiamter 28,5 mm dengan tebal rata rata 1,5 mm. Ragka kendaraan tersebut terdapat sambungan-sambungan dan tiap sambungan akan dilas menggunakan TIG dengan logam pengisi alumunium 5356 berdiameter 1,6 mm. Oleh sebab itu perlu dilakukan penelitian pengaruh parameter pengelasan terhadap kekuatan sambungan las. Besarnya Heat input akan menjadi parameter dalam membandingkan kekuatan hasil sambungan las ini. Variasi arus yang di gunakan adalah 80 Ampere, 100Ampere dan 120 Ampere, kemudian hasil pengelasanya di uji bending dan uji kekerasan serta analisa struktur mikro pada sekitar daerah lasan. Di pilih uji bending karena dalam aplikasinya rangka pada umumnya mengalami pembebanan lentur dari penumpang dan mesin yaitu rata rata sebesar 600 N penumpang dan 400 N mesin, total 1000 N. Uji lentur yang di lakukan hingga spesimen mengalami patah. Sedangkan analisa struktur mikro di lakukan untuk memperkuat analisa terhadap hasil dari pengujian mekanik. Dari hasil pengujian, kekuatan sambungan menahan beban lentur rata rata yaitu untuk base metal 1461 N, arus 80 Ampre adalah 1411 N, arus 100 Ampre 1230 N dan 120 Ampre adalah 975 N. Dan dari hasil uji keras pun semakin tinggi arus atau heat input, harga kekerasan semakin rendah. Di lihat dari struktur mikro semakin tinggi arus, ukuran butir semakin besar dan lebar daerah HAZ juga semakin besar. Arus yang tinggi atau masukan panas yang tinggi menyebabkan pertumbuhan butir semakin tinggi. Ukuran butir mempengaruhi kekuatan dan kekerasan dimana semakin besar butir kekuatan dan kekerasan akan turun dan lebih cendrung getas. Selain itu arus yang besar juga menyebabkan hasil pengelasan pada plat tipis akan menimbulkan cacat, tembus atau bolong bolong. Maka dalam pengelasan pipa alumunium 6063 diamater 28,5 dengan ketebalan rata rata 1.5 mm ini di sarankan menggunakan arus yang rendah yaitu 80 Ampere. Dan Kekuatan lentur pada arus 80 Ampre ini sudah melebihi batas minumum kekuatan (1000 N).
Kata kunci: pengelasan aluminium, uji lentur, arus pengelasan
1. Pendahuluan
Bentuk dan dimensi rangka untuk perencanaan mobil listrik dengan satu penumpang didisain sesederhana mungkin, karena efisiensi mobil listrik sangat di pengaruhi oleh berat total dari kendaraan tersebut. Selain berat, juga harus mampu menahan gaya aksial, gaya normal, momen, aksi percepatan perlambatan, juga menahan kejutan yang diakibatkan bentuk permukaan jalan, mampu meredam dan menyerap energi akibat beban kejut akibat benturan dengan benda lain [1]. Oleh karena itu, dibutuhkan material yang ringan dan kuat untuk memenuhi spesifikasi tersebut. Bahan Alumunium adalah salah satu solusi, karena ringan dan dipasaran memiliki variasi bentuk dan dimensi yang relatif banyak.
Gambar 1 Gambar disain rangka mobil listrik satu penumpang
Namun ada beberapa kendala, dalam disain terdapat banyak sambungan –sambungan seperti dapat di lihat pada gambar 1. Setiap sambungan akan disambung dengan proses pengelasan. Pengelasan adalah salah satu proses teknik penyambungan logam dengan cara mencairkan sebagian logam induk dan logam pengisi dengan atau tanpa tekanan sehingga menghasilkan sambungan yang kontinu [2].
Proses pengelasan yang di lakukan pada rangka tersebut sangat mempengaruhi karakteristik mekanik bahan, pada umumnya akibat pengelasan karakteristik mekanik dari bahan menurun, hal ini disebabkan karena hasil pengelasan dapat menimbulkan cacat-cacat akibat kesalahan welder atau parameter pengelasan yang di gunakan tidak tepat. Beberapa parameter yang berpengaruh terhadap hasil pengelasan antara lain adalah hubungan antara logam induk dengan logam pengisi, kualifikasi welder, bentuk sambungan, masukan panas atau heat input. Masukan panas terdiri dari Arus, tegangan dan kecepatan pengelasan. Variasi besarnya arus dan laju kecepatan pengelasan (travel speed) harus seimbang, tergantung kepada jenis material dan tebal plat yang dilas. Masukan panas ini harus di kendalikan untuk beberapa alasan, sebagai contoh masukan panas yang berlebih menyebabkan material mengalami distorsi, penyusutan lateral dan kecendrungan pembentukan fasa yang merugikan.
Semua ini dapat mempengaruhi serviceability struktur las, mengurangi ketahanan material terhadap korosi dan menurunnya sifat-sifat mekanis. Batasan masukan panas di tentukan oleh banyak faktor, salah satunya adalah dimensi dari logam yang akan dilas yaitu ketebalan [2]. Angka heat input yang rendah akan menyebabkan penetrasi yang dangkal dan angka heat input yang terlalu tinggi akan menyebabkan timbulnya keretakan pada daerah yang terkena panas [3].
Tujuan dari penelitian ini adalah memberikan saran atas masukan panas atau besarnya arus yang tepat terhadap karakteristik mekanik yang baik pada sambungan las rangka kendaraan mobil listrik.
Besarnya Heat input akan menjadi parameter dalam membandingkan kekuatan hasil sambungan las ini. Batasan masalah dalam penelitian ini adalah pipa alumunium yang digunakan sebagai bahan rangka adalah seri 6063, dengan diameter 28,5 mm dan tebal rata rata 1,5 mm. Alumunium 6063 adalah alumunium paduan magnesium dan silikon. Al 6063 memiliki sifat mekanik yang baik, sifat- sifatnya dapat di ubah dengan proses perlakuan panas ( heat treatable), dan yang lebih utama memiliki sifat mampu las yang tinggi (weldable). Permukaannya yang mengkilat sehingga sering di gunakan untuk material architectural dan juga di gunakan untuk beban beban tinggi dan rendah seperti frame atau rangka [4]. Berikut tabel 1, dapat dilihat data data alumunium 6063.
Pengelasan menggunakan TIG dengan logam pengisi alumunium 5356 berdiameter 1,6 mm.
Pengelasan dilakukan oleh welder dengan kualifikasi 6G. Masukan panas yang di variasikan adalah arus, dimana variasi arus yang di gunakan adalah 80 Ampere, 100Ampere dan 120 Ampere dan Sambungan yang di pilih adalah sambungan tumpul tanpa kampuh dan satu layer. Gas pelindung yang di gunakan adalah argon 99%.
2. Metodologi Penelitian
Penelitian yang di lakukan menggunakan metode eksperimental. Proses pengelasan dan pengujian bending, pengujian kekerasan Vickers serta pengamatan struktur mikro dilakukan di laboratorium produksi dan material teknik Jurusan Teknik Mesin Itenas Bandung. Seperti pada gambar 2, Al 6063 di potong potong kemudian di las dengan variasi arus 80 Ampere,100 Ampere dan 120 Ampere, masing masing terdiri dari tiga spesimen.
Gambar 2 Proses pemotongan dan pengelasan 80A, 100 A, 120 A
Setelah di las, permukaan hasil lasan di kikir untuk meratakan permukaan dan melihat apakah permukaan lasan ada yang cacat atau tidak, jika cacat maka spesimen tersebut tidak di pakai sebagai spesimen uji.
Gambar 3 Proses Pengikiran dan hasilnya
Kemudian dilanjutkan dengan pengujian bending dengan menggunakan mesin, penekukkan di lakukan tepat pada daerah lasan (seperti pada gambar 4), sehingga dapat di lihat bagaimana kondisi permukaan lasan setelah di tekuk dan di ketahui juga berapa kekuatan sambungan untuk menahan beban lentur yang di terima.
Gambar 4 Proses Uji bending
Gambar 5 Hasil pengujian bending untuk 80 A, 100 A, 120 A
Gambar 6 Spesimen untuk pengamatan struktur mikro untuk 80 A, 100 A, 120 A
Material yang di potong potong diatas telah di pilih melalui pengujian visual, dimana hasil pengelasan yang cacat tidak di ambil sebagai spesimen, kemudian di lanjutkan dengan pengamatan struktur mikro.
Pengamatan struktur mikro di awali dengan mounting (gambar 6), pengamplasan dengan mesh 400, 600, 800, 1000, 1200, 2000 dan pemolesan dengan pasta dan kain beludru (selvyt). Untuk cairan etsa di gunakan HCL, HNO3, HF dan CH3OH) [5]. Spesimen untuk struktur mikro juga di jadikan spesimen untuk uji kekerasan dengan menggunakan Vickers.
3. Hasil dan Pembahasan
Dari hasil pengujian bending hingga mencapai sudut 90O, seperti pada gambar 5, secara visual permukaan las hasil bending ada yang patah dan retak. Patah dan retak terjadi tidak pada daerah weld metal tapi terjadi pada daerah HAZ. Dapat dilihat pada gambar 7. Hal ini terjadi karena daerah weld metal sudah menjadi daerah superior karena ada pengaruh dari asupan dari logam pengisi dan pengaruh argon. Sedangkan pada daerah HAZ, menjadi daerah yang lemah karena pengaruh panas akan mengubah struktur mikro sehingga berpengaruh kepada sifat mekanik, pada umumnya sifat mekaniknya menjadi turun dan bersifat getas.
Gambar 7 Permukaan hasil uji bending
Base metal yang di maksud pada tabel 2 di bawah adalah spesimen yang di bending tanpa ada sambungan, yang merupakan acuan dari hasil sambungan. Artinya kekuatan lentur sambungan yang baik adalah lebih besar dari kekuatan lentur base metal (tanpa sambungan) atau sama atau mendekati kekuatan lentur base metal.
Tabel 2 Besarnya beban lentur yang dapat di tahan oleh sambungan Spesimen Beban lentur (N)
Base Metal 1461
80 Ampre 1411
100 Ampre 1230
120 Ampre 975
Gambar 8 Grafik beban lentur yang dapat di tahan oleh spesimen tanpa sambungan (base metal)
Gambar 9 Grafik beban lentur yang dapat di tahan oleh spesimen dengan Arus 80 Ampere
Gambar 10 Grafik beban lentur yang dapat di tahan oleh spesimen dengan Arus 100 Ampere
Gambar 11 Grafik beban lentur yang dapat di tahan oleh spesimen dengan Arus 120 Ampere
Dari hasil uji lentur dapat di lihat bahwa semakin tinggi arus, maka harga ketahanan terhadap beban lentur dari pipa hasil pengelasan semakin rendah di banding kekekuatan lentur dari base metal. Untuk arus yang rendah 80 A, kekuatan lenturnya lebih mendekati harga kekuatan lentur pipa tanpa las sedangkan untuk arus yang tinggi hingga 120 A, kekuatan lenturnya jauh di bawah base metal, hal ini di sebabkan karena masukan panas yang tinggi dapat menyebabkan beberapa hal antara lain spesimen mengalami distorsi yang berlebih karena terjadinya penyusutan lateral dan kecendrungan pembentukan fasa yang merugikan serta ukuran butir di daerah terpengaruh panas menjadi lebih besar, hal ini dapat menyebabkan sambungan menjadi getas (rapuh). Hal ini dapat di lihat pada hasil pengamatan struktur mikro pada gambar 11. Hubungan antara ukuran butir dengan sifat mekanis ini sudah di nyatakan oleh Hall and Petch bahwa semakin besar diameter butir maka angka kekerasan, kekuatan luluh akan kekuatan fatik akan menurun dan laju perambatan retak lebih cepat [6]. Selain itu secara teknis dan hasil dari permukaan lasan untuk arus yang tinggi 120 A pada pengelasan pipa banyak mengalami cacat, antara lain permukaan lasan bolong-bolong walaupun polaritas pengelasan di ganti ganti ( menggunakan DCEP atau DCEN).
Untuk membuktikan lebih lanjut dilakukan pengujian kekerasan.
Pengujian kekerasan di lakukan pada logam induk yang tidak dilas, HAZ dan weld metal. Alat yang digunakan untuk uji keras ini adalah microvickers dengan beban maksimum 1 kg dan pengujian ini sangat cocok untuk material yang lunak atau kekuatannya rendah seperti alumunium. Pada setiap daerah di lakukan 5 kali pengujian dan kemudian di rata ratakan. Angka kekerasan rata rata hasil pengujian dapat di lihat pada tabel 3.
Tabel 3 Hasil uji keras pada daerah pengelasan
Pengujian Logam induk (tanpa las)
80 A 100A 120 A
HAZ
Weld
Metal HAZ
Weld
Metal HAZ Weld Metal Rata-Rata 51,3 VHN 67 VHN 69 VHN 58 VHN 66 VHN 53 VHN 61 VHN Dari hasil uji keras juga terlihat bahwa, pada arus 120 A angka kekerasan lebih rendah baik di daerah HAZ dan Weld metal di bandingkan dengan arus 80 A dan 100A. Jika di bandingkan kekerasan pada
pipa yang tidak dilas (logam induk) dengan daerah HAZ pipa yang dilas, kekerasanya meningkat pada setiap kenaikan arus (tabel 3), kenaikan kekerasan ini bisa di sebabkan oleh terbentuknya presipitat atau senyawa. Alumuinium 6063 ini mengandung Silikon (Si) 0.45 % dan Magnesium (Mg) 0.54%
berpotensi untuk membentuk presipitat Mg2Si dan senyawa MgSi. Presipitat ini dapat meningkat kan kekuatan dan kekerasan dari paduan alumunium ini, namun dari pengamatan struktur mikro tidak terlihat adanya pembentukan presipitat. Sehingga pemanasan akibat pengelasan tidak mempengaruhi terbentuknya presipitat, yang akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari paduan pipa alumunium ini.
Gambar 12 Hasil pengamatan struktur mikro pada 80A, 100A, 120 A, dengan pembesaran 200x.
Pengamatan struktur mikro (metallografi) di lakukan terhadap spesimen pada semua variasi arus.
Spesimen stelah di amplas dan di poles kemudian di celupkan kedalam larutan etsa HF, 20mL HNO,30 mL HCL,50mL CH3OH selama 10 detik.
Dari hasil pengamatan struktur mikro pada gambar 12, pada daerah HAZ, semakin tinggi arus, terlihat ukuran butir bertambah besar dan daerah HAZ semakin lebar. Selain itu dengan naiknya arus, daerah batas logam cair dan tidak mencair (fusion line) juga semakin lebar. Untuk daerah weld tidak ada perubahan yang signifikan terhadap perubahan arus. Pada daerah base metal pada pengelasan ini juga tidak terjadi perubahan bentuk dan ukuran butir terhadapa variasi arus, karena pada daerah ini panas yang terjadi tidak terlalu besar sehingga tidak merubah sturktur mikro. Dari pengamatan juga tidak terdapat presipitat yang terjadi. Ukuran butir yang besar memiliki sifat mekanis seperti kekuatan dan kekerasan yang rendah, hal di sebabkan karena, semakin besar ukuran butir maka jumlah batas butir juga sedikit. Batas butir memiliki energi yang tinggi untuk menghalangi pergerakan dislokasi, artinya semakin sedikit jumlah batas butir, maka dislokasi semakin mudah bergerak, logam tersebut lunak. [6]
4. Kesimpulan dan Saran
Arus yang tinggi atau masukan panas yang tinggi menyebabkan terjadinya pertumbuhan butir yang tinggi sehingga menyebabkan butir menjadi kasar, butir yang kasar menyebabkan kekuatan lentur sambungan menjadi rendah atau dengan kata lain sambungan menjadi getas. Selain itu penggunaan arus yang tinggi, terdapat banyak cacat seperti pipa yang di las bolong bolong. Kekuatan lentur yang tinggi terdapat pada arus 80 A dan harganya mendekati kekkuatan lentur pipa tanpa las. Maka dapat disimpulkan bahwa pengelasan Alumunium 6063 diameter 28,5 mm dan tebal rata rata 1,5 mm yang akan di jadikan rangka untuk mobil listrik satu penumpang adalah menggunakan besar arus 80 Ampere dimana kekuatan lenturnya diatas kekuatan lentur yang di targetkan yaitu 1000 N.
Daftar Pustaka
[1] Noorsakti Wahyudi,2016,Oktober, Studi Eksperimen Rancang Bangun Rangka Jenis Ladder
Volume 7 No.2 Nov 2014
[6] William D. Callisters. JR. Fundamentals of Material Science And Engineering, Mc Graw Hill 1970
